基因表达调控 Regulaition of gene expression 刘新文 北京大学医学部生物化学与分子生物学系
北京大学医学部生物化学与分子生物学系
第一节概述 一、基因表达的概念 1、基因（gene)：从遗传学讲，基因就是遗传的基 本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功 能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗 传信息的DNA分子片段 2、基因表达(gene expression):基因表达就是基 因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多 数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有 特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定 的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相 应RNA的过程也属于基因表达
第一节 概述 一、基因表达的概念 1、基因（gene）：从遗传学讲，基因就是遗传的基 本单位或单元，具有编码RNA或多数情况下编码多肽功 能的信息单位。从分子生物学看，基因是负载特定遗 传信息的DNA分子片段 2、基因表达(gene expression)：基因表达就是基 因转录及翻译的过程。在一定调节机制控制下，大多 数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有 特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定 的功能或形态表型；rRNA、tRNA编码基因转录生成相 应RNA的过程也属于基因表达
基因表达的规律（特点）及方式 1、基因表达的规律（特点）：时、空特异 1.1时间特异性(temporal specificity,阶段特异 性stage specificity):按功能需要，某一特定基因 的表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表 达的时间特异性又称阶段特异性 1.2空间特异性(special specificity,细胞或组 织特异性（tissue specificity):在个体生长全过 程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现
二、基因表达的规律（特点）及方式 1、基因表达的规律（特点）：时、空特异 1.1 时间特异性(temporal specificity，阶段特异 性stage specificity)：按功能需要，某一特定基因 的表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表 达的时间特异性又称阶段特异性 1.2 空间特异性(special specificity，细胞或组 织特异性（tissue specificity）：在个体生长全过 程，某种基因产物按不同组织空间顺序出现
2、基因表达的方式 2.1组成性表达(constitutive gene expression) 一管家基因(housekeeping gene)：在生物个体的几乎 所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必 需的或必不可少的基因 >组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表 达，它只受启动子与NA聚合酶相互作用的影响 2.2诱导(induction)和阻遏(repression))表达 强 一诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活， 基因表达产物增加，该现象称为诱导。相应基因称为可 诱导的基因
2、基因表达的方式 2.1 组成性表达(constitutive gene expression) 管家基因(housekeeping gene) ：在生物个体的几乎 所有细胞中持续表达，其表达产物对生命全过程都是必 需的或必不可少的基因 组成性基因表达（基本的基因表达）：管家基因的表 达，它只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响 2.2 诱导(induction)和阻遏(repression)表达 诱导：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活， 基因表达产物增加，该现象称为诱导。相应基因称为可 诱导的基因
阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称 为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称 为阻遏 >可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与NA聚 合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增 强子) 2.3协调调节(coordinate regulation) >在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论 其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为 协调表达。这种调节称为协调调节
阻遏：基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称 为可阻遏的基因。可阻遏基因表达产物降低的过程称 为阻遏 可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA聚 合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增 强子） 2.3 协调调节（coordinate regulation） 在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论 其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为 协调表达。这种调节称为协调调节
主、 原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1、适应环境、维持生长和增殖 2、维持个体发育与分化 四、基因表达调控的基本原理 1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、 转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等 转录起始是基因表达的基本控制点 2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系) 2.1特异DNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件 (真核)
三、原核生物、真核生物基因表达调控的意义 1、适应环境、维持生长和增殖 2、维持个体发育与分化 四、基因表达调控的基本原理 1、基因表达的多级调控：基因结构活化、转录起始、 转录后加工及载运、翻译及翻译后加工，等 转录起始是基因表达的基本控制点 2、基因转录激活调节的基本要素（调控体系） 2.1 特异DNA序列：操纵子（原核）、顺式作用元件 （真核）
操丛子(operator):原核生物中由2个以上的编码序 列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组 中成簇串联组成的基因调控单位 >顺式作用元件(cis-acting element).:可影响自身基 因表达活性的DNA序列。包括启动子、增强子及沉默子 等 2.2调节蛋白 原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 真核：转录因子（主要为反式作用因子) >原核基因调节蛋白都是一些DNA结合蛋白 >阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在
操丛子(operator)：原核生物中由2个以上的编码序 列与启动序列、操纵序列以及其它调节序列在基因组 中成簇串联组成的基因调控单位 顺式作用元件（cis-acting element）：可影响自身基 因表达活性的DNA序列。包括启动子、增强子及沉默子 等 2.2 调节蛋白 原核基因调节蛋白都是一些DNA结合蛋白 阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物普遍存在 原核：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白 真核：转录因子（主要为反式作用因子）
反式作用因子(trans-acting factor):某一基因的 编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基 因的表达活性。大多数反式作用因子是DNA结合蛋白 正性调节机制在真核生物普遍存在 3、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-蛋白质 蛋白质-蛋白质相互作用、RNA聚合酶活性调节 强 3.1DNA-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用 元件之间的特异识别及结合 >这种结合通常是非共价结合 >多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作 用形成二聚体或多聚体
正性调节机制在真核生物普遍存在 反式作用因子(trans-acting factor)：某一基因的 编码产物，与其它基因的调节序列结合，调节其它基 因的表达活性。大多数反式作用因子是DNA结合蛋白 3、转录调节的作用机理（基本形式）：DNA-蛋白质、 蛋白质-蛋白质相互作用、RNA聚合酶活性调节 3.1 DNA-蛋白质相互作用：反式调节因子与顺式作用 元件之间的特异识别及结合 这种结合通常是非共价结合 多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作 用形成二聚体或多聚体
3.2蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结 合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的 DNA结合能力 3.3RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活 性体现 ￥ 五、原核与真核基因表达调控的区别 1、真核基因与原核基因的结构特点 >真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不 连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一 条多肽链)
3.2 蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结 合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的 DNA结合能力 3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活 性体现 五、原核与真核基因表达调控的区别 1、真核基因与原核基因的结构特点 真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不 连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一 条多肽链）
2、原核基因表达调控特点 一o因子决定NA聚合酶识别特异性 ~操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调 控单个启动基因的活性来完成协调表达 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导 3、真核基因表达调控特点 >活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结 构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少 正性调节占主导 >转录与翻译分隔进行
2、原核基因表达调控特点 σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调 控单个启动基因的活性来完成协调表达 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导 3、真核基因表达调控特点 活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结 构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少 正性调节占主导 转录与翻译分隔进行